Électronique de Commutation, Calibration et Récupération d'Énergie

Rejet de la commutation mécanique

À une vitesse de rotation de 750 tr/min avec une configuration multipolaire, la fréquence de commutation atteint 100 à 200 Hz. À ce régime, les micro-switches ou rupteurs mécaniques s'usent et s'arcent quasi instantanément — c'est exactement la limite chiffrée dans les premières versions de cette page, où un relais reed (≈1 ms de commutation) plafonnait le régime autour de 750 tr/min pour rester fiable. Le pilotage du prototype réel est donc confié exclusivement au transistor MOSFET de puissance canal N IRLZ44N (logic level), commandé par l'ESP32 : sa commutation en microsecondes ne borne plus le régime électroniquement.

Composants

• MCU : Arduino Nano ESP32 (recommandé pour la télémétrie sans fil — suivi RPM/tension en direct) ou Nano classique.
• 1 MOSFET IRLZ44N par bobine (logic level, canal N), monté en interrupteur bas-côté, commandé directement par une broche ESP32 (avec résistance de grille).
• 1 capteur Hall linéaire SS49E (boîtier TO-92S) par module, pour la calibration au bip-mètre — voir plus bas.
• 1 buzzer piézo partagé, piloté par l'ESP32 pendant la phase de calibration.
• 1 diode de blocage 1N4007 + 1 diode Zener de puissance 24V (1N5359B) par bobine — réseau de récupération d'énergie (snubber), voir plus bas.
• 2 balais récupérés (porte-balais + charbons d'un petit moteur DC de voiture radiocommandée) + 2 anneaux de cuivre au moyeu — amènent le courant du MOSFET rotor (côté fixe) aux bobines rotor, sans électronique embarquée sur la partie tournante. Voir plus bas.
• 1 aimant témoin (petit, faible, jamais masqué), fixé sur le rotor, + 1 sonde Hall dédiée sur le stator — signal de synchronisation fiable, indépendant des aimants principaux qui sont eux-mêmes masqués pendant l'approche. Voir plus bas.

La calibration par bip-mètre Hall

Pour régler précisément le courant d'annulation calibré à 0,11 A (pertes Joule minimes de ≈0,07 W par bobine), le prototype réel n'utilise pas de gaussmètre coûteux mais un capteur linéaire SS49E relié à l'ESP32. Ce « bip-mètre » acoustique traduit l'intensité du champ magnétique en son : lorsque le courant d'annulation est parfait, le champ net tombe à zéro (B = 0 T) et le buzzer indique le point de consigne (silence, ou changement de tonalité selon le montage).

Le réseau de coupure et de récupération (snubber Zener)

Pour éviter l'effet de freinage magnétique (effet Lenz) lors de la coupure du circuit — tout en protégeant le MOSFET des surtensions de rupture (back-EMF) — le circuit intègre une diode de blocage 1N4007 et une diode Zener de 24V. Ce réseau assure une coupure nette (style moteur à impulsions) et recycle l'énergie inductive d'ouverture directement vers l'alimentation/batterie, au lieu de la dissiper en chaleur — sans aucune usure d'arc électrique, contrairement à un contact mécanique.

Logique de commande

Un seul MCU, côté stator (fixe), pilote l'ensemble : ses 8 canaux stator, plus un 9^e canal partagé qui alimente toutes les bobines rotor à travers les balais (voir plus bas). Contrairement à la version précédente, le déclenchement ne vient pas d'une lecture directe des 8 SS49E de chaque module : ces aimants sont masqués pendant l'approche, donc peu détectables au bon moment (voir Le capteur aveugle). Le timing réel est prédit à partir de l'aimant témoin, jamais masqué — code complet dans cette section.

Interruptions matérielles (ou échantillonnage rapide en timer) recommandées plutôt qu'une lecture en boucle, pour ne rater aucun front à haut régime, et un filtrage (moyenne glissante) sur la mesure de période pour éviter les bascules intempestives dues au bruit d'une seule lecture. Seuils à caler expérimentalement, sous la marge de synchronisation calculée plus haut.

Où placer les sondes Hall

Les 8 SS49E permanents vont uniquement sur la plaque stator (fixe, câblage simple vers le MCU). Chaque sonde doit détecter l'aimant du rotor qui approche, pas l'aimant du stator juste à côté (déjà masqué/révélé par sa propre bobine — il fausserait la lecture).

• Même rayon que les modules, une sonde par module (8 au total).
• Décalée de quelques mm par rapport au centre du module, dans le sens de rotation — pas pile dessus. Elle capte ainsi l'aimant rotor qui arrive, en avance sur l'alignement parfait, sans être noyée par le champ du module stator immédiatement voisin. C'est le même principe de placement que les sondes Hall d'un moteur BLDC classique, entre les pôles plutôt que dessus.
• Face de détection affleurante à la surface de la plaque stator qui fait face au rotor — dans un petit perçage à côté du module, pas dans l'entrefer lui-même (elle serait écrasée à l'assemblage).
• Fils routés par l'arrière de la plaque stator vers le MCU — aucune liaison tournante nécessaire de ce côté, la plaque est fixe.
• Côté rotor, pas de sonde permanente : la calibration de ses modules se fait avec un SS49E portable, tenu à la main pendant le bobinage et lors des contrôles périodiques (voir Tests — endurance) — pas besoin de câblage puisque le rotor n'a pas de MCU à lui.

Liaison rotor : balais récupérés

Le rotor porte ses propres bobines de compensation (annulation symétrique des deux côtés, voir Assemblage — le rotor), mais pas d'électronique à lui — pas de MCU, pas de batterie embarquée. Un seul MOSFET, côté stator, pilote toutes les bobines rotor à la fois (câblées en parallèle, elles se masquent/révèlent toutes ensemble), à travers deux simples contacts glissants au niveau du moyeu.

• 2 anneaux de contact en cuivre (bande adhésive ou tronçon de tube cuivre), collés et isolés autour du moyeu tournant — un par fil de la bobine rotor.
• 2 balais récupérés, montés sur un petit support fixe (le truck ou la plaque stator), qui pressent en permanence sur les anneaux.
• Le courant vient directement du MOSFET/snubber du canal rotor (même circuit que les canaux stator, voir Composants) — juste redirigé vers les balais au lieu d'une bobine locale fixe.

Le capteur aveugle : synchroniser sans voir l'aimant masqué

Un problème sérieux, pas un détail : la sonde Hall d'un côté est censée annoncer l'arrivée de l'aimant de l'autre côté — mais cet aimant est justement masqué (annulé à ~0T) pendant toute son approche, exactement pour éviter l'interaction prématurée. Résultat : pendant la phase où on aurait le plus besoin de la détecter, l'approche ne produit presque aucun signal — et au moment où le champ redevient détectable (la révélation), c'est déjà trop tard pour s'en servir comme déclencheur, l'événement a déjà eu lieu.

Les 8 SS49E du stator restent utiles pour la calibration (bip-mètre) — et peuvent en plus servir de secours au tout premier démarrage à la manivelle (voir Assemblage — démarrage manuel) : à très basse vitesse, avant que l'aimant témoin n'ait donné une première période fiable, le masquage n'est pas encore critique et un signal résiduel peut suffire à amorcer.

const uint8_t INDEX_PIN     = A7;  // aimant témoin (rotor), jamais masqué : 1 top par tour
const uint8_t ROTOR_MOSFET  = 19;  // canal partagé, vers les balais

unsigned long lastTop = 0, period = 0;

void loop() {
  static bool wasIndex = false;
  bool indexNow = (analogRead(INDEX_PIN) > INDEX_THRESHOLD);
  if (indexNow && !wasIndex) {
    unsigned long now = micros();
    period = now - lastTop;
    lastTop = now;
    currentRPM = 60.0e6 / period;         // 1 top par tour => RPM = 60 / T(s)
  }
  wasIndex = indexNow;
  // ... sécurité roue libre inchangée, basée sur currentRPM ...

  bool anyAligned = false;
  if (period > 0) {
    unsigned long elapsed = micros() - lastTop;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
      // position attendue du module i : i/8 de tour après le top
      unsigned long expected = (unsigned long)((i / 8.0) * period);
      bool nearAlignment = (abs((long)(elapsed - expected)) < REVEAL_WINDOW);
      bool coilOn = freewheelMode ? true : !nearAlignment;  // masqué sauf près de l'alignement prédit
      digitalWrite(MOSFET_PINS[i], coilOn ? HIGH : LOW);
      anyAligned |= nearAlignment;
    }
  }
  // canal rotor (balais) : révélé si une position quelconque est alignée
  digitalWrite(ROTOR_MOSFET, (freewheelMode || !anyAligned) ? HIGH : LOW);
}

Code illustratif, à affiner (gestion du premier tour sans mesure, filtrage de period, interruptions plutôt que boucle) — mais le principe compte : on planifie le cycle des aimants masqués à partir d'un signal qui, lui, ne l'est jamais.